閆國華,馮叔陽
(中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院,天津 300300)
隨著大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的廣泛應(yīng)用,作為現(xiàn)代渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)主要噪聲源之一的噴流噪聲已經(jīng)降低到與風(fēng)扇噪聲相當(dāng)?shù)牧考?jí)[1]。但隨著國際民航組織(International Civil Aviation Organization,ICAO) 開始采用更加嚴(yán)厲的第五階段噪聲標(biāo)準(zhǔn)[2],我國國產(chǎn)大飛機(jī)也將面臨更嚴(yán)峻的適航審定。因此在建立自己的擁有噪聲預(yù)測(cè)評(píng)估能力的民用航空器噪聲審定技術(shù)研究體系方面,在整機(jī)噪聲中依舊占主導(dǎo)地位的噴流寬頻噪聲依舊是研究重點(diǎn),
對(duì)噴流噪聲的產(chǎn)生機(jī)理、噪聲預(yù)測(cè)以及降噪手段等方面的探索有很多的理論和實(shí)驗(yàn)研究。TAM、VISWANATHAN等人[3][4]揭示了亞音速噴流噪聲的產(chǎn)生主要是由于湍流的摻混導(dǎo)致的。Kawai S[5]等分析了亞音速到超音速下自由剪切層的不穩(wěn)定性對(duì)噴管整體基礎(chǔ)流場(chǎng)的影響。Samimy[6]等人對(duì)Tab齒形的降噪原理進(jìn)行分析,揭示了鋸齒產(chǎn)生的對(duì)旋渦對(duì)噴管流場(chǎng)剪切層內(nèi)的摻混的增加作用。NASA開展多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)[7][9],在消聲室對(duì)一系列不同鋸齒結(jié)構(gòu)小型噴嘴(Small Metal Chevron Nozzles)在不同測(cè)試條件下進(jìn)行噪聲測(cè)量,這一系列試驗(yàn)既取得了噴管流場(chǎng)的時(shí)均值和湍流脈動(dòng)量的信息,也得到了噴管遠(yuǎn)場(chǎng)檢測(cè)點(diǎn)的噪聲總聲壓級(jí)和頻譜信息,其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)常被用來檢驗(yàn)噴流噪聲預(yù)測(cè)方法的可靠性和精度。
通常使用兩種計(jì)算方法來計(jì)算預(yù)測(cè)噴流噪聲,一種基于半經(jīng)驗(yàn)公式的預(yù)測(cè)模型,如SAE算法[10]、Pao算法[11]和Stone算法[12]等。二是基于聲類比的數(shù)值計(jì)算方法,如基于FW-H方程的Ligthill聲類比方法[13]以及考慮流體可壓縮性的Mohring聲類比[14]。盡管半經(jīng)驗(yàn)?zāi)P驮诳焖僭u(píng)估噪聲級(jí)方面具有先天的優(yōu)勢(shì),但是其無法精確的解析噪聲頻譜結(jié)構(gòu),不能對(duì)噪聲的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析,且有嚴(yán)格的使用范圍。如今,伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,數(shù)值計(jì)算已經(jīng)漸漸成為了計(jì)算噴流噪聲的主流方法。
采用計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD) 和計(jì)算航空聲學(xué)( Computational Aeronautical Acoustics,CAA) 混合方法對(duì)噴管進(jìn)行噪聲數(shù)值計(jì)算[15]。首先對(duì)噴管的噴流流場(chǎng)進(jìn)行瞬態(tài)數(shù)值計(jì)算,在瞬態(tài)流場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上提取噴流噪聲體聲源,對(duì)其進(jìn)行聲傳播計(jì)算,得到近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)的聲學(xué)求解,并采用 NASA 的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[7]對(duì)流場(chǎng)以及噪聲計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。
研究對(duì)象是NASA實(shí)驗(yàn)用的SMC002號(hào)4鋸齒小型金屬噴管[7],根據(jù) NASA 提供的噴管數(shù)據(jù)完成建模,其三維模型如圖1所示。噴管為單流通通道的收縮噴管,尺寸如圖2所示,噴管進(jìn)口直徑65.85mm,出口直徑53.6mm,出口安裝4個(gè)Chevron型鋸齒,齒長32mm,齒彎角5°。
圖1 噴管模型
圖2 噴管尺寸
精確的流場(chǎng)解析是聲學(xué)仿真的基礎(chǔ),為了保證流場(chǎng)計(jì)算量適中以及流場(chǎng)計(jì)算的精度要求。瞬態(tài)噴流流場(chǎng)的計(jì)算選擇介于直接求解N-S方程和雷諾時(shí)均模擬之間大渦模擬(LES),來提取噴流噪聲聲源。LES首先將N-S 方程進(jìn)行濾波處理,其中對(duì)平均流動(dòng)影響較大的大尺度量渦流通過N-S方程直接求解,而主要起耗散作用的小尺度渦流因其各項(xiàng)同性的特點(diǎn),則通過亞格子模型求解,從而保證流場(chǎng)解析的精度。
(1)
其中由濾波操作而得到的大尺度量定義為
(2)
式中積分遍布整個(gè)流體域,G(r,x)是空間濾波函數(shù),噴流流場(chǎng)的小尺度運(yùn)動(dòng)的尺寸和結(jié)構(gòu)由其決定。
將過濾函數(shù)作用于N-S方程,得到紊流的控制方程
(3)
(4)
為保證噴流流場(chǎng)充分發(fā)展,以半徑為500 mm、長2070 mm的圓柱體作為噴流計(jì)算域,將SMC002噴管包裹。采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)計(jì)算域進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分,噴流流通區(qū)域進(jìn)行O型拓?fù)?。為了滿足大渦模擬計(jì)算要求,設(shè)置壁面附面層第一層網(wǎng)格距離y+值為1,使得第一個(gè)網(wǎng)格位于湍流粘性底層區(qū)域。為了更好捕捉噴管出口剪切層內(nèi)的渦流,在噴管出口區(qū)域進(jìn)行局部加密,生成初始網(wǎng)格,總節(jié)點(diǎn)數(shù)184萬,總網(wǎng)格數(shù)190萬。計(jì)算域網(wǎng)格分布細(xì)節(jié)如圖3所示。
圖3 噴嘴周圍的網(wǎng)格
為了確定噴流流場(chǎng)瞬態(tài)計(jì)算中網(wǎng)格數(shù)量與計(jì)算結(jié)果之間的無關(guān)性,再準(zhǔn)備一種90萬數(shù)量網(wǎng)格和150萬數(shù)量網(wǎng)格,分別對(duì)三種不同密度網(wǎng)格進(jìn)行試算,監(jiān)測(cè)出口中心線馬赫數(shù)并進(jìn)行比較,結(jié)果如圖4所示。稀疏網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果與初始網(wǎng)格和加密網(wǎng)格結(jié)果有微小差別,而初始網(wǎng)格與加密網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果幾乎相同。因此,初始網(wǎng)格可以滿足LES計(jì)算需求。
圖4 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證
為了加快噴流流場(chǎng)的收斂,首先使用RNGk-e模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)噴流流場(chǎng)計(jì)算,將此穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)作為LES瞬態(tài)求解的物理初場(chǎng)。選取NASA實(shí)驗(yàn)中的冷噴流實(shí)驗(yàn)來確定邊界條件[7],具體邊界條件如下:
1) 進(jìn)口邊界條件:噴嘴入口采用壓力入口,進(jìn)口總壓178200 Pa,總溫288.15 K;
2) 出口邊界條件:噴嘴出口采用壓力出口,總壓97700 Pa,總溫280.2 K;
3) 遠(yuǎn)場(chǎng)邊界條件:遠(yuǎn)場(chǎng)采用壓力遠(yuǎn)場(chǎng),總溫總壓與出口邊界條件相同。
圖5為SMC002噴流速度時(shí)均分布云圖,其中噴口流速達(dá)到297.773 m/s,接近 NASA[7]實(shí)驗(yàn)要求的出口流速0.9馬赫的工況。由此可見,該實(shí)驗(yàn)為亞音速無限空間內(nèi)淹沒射流。整個(gè)噴流流場(chǎng)可大致劃分為三段,混合區(qū)包括了保持與噴管出口速度相當(dāng)?shù)膭?shì)流核心以及混合層,其中勢(shì)流核心區(qū)長度0.25 m;過渡區(qū)域內(nèi)即為時(shí)均速度衰減區(qū),這一區(qū)域內(nèi)噴流速度急速衰減到100 m/s左右,區(qū)域長度與混合區(qū)大致相同;之后即為流體自維持流動(dòng)的充分發(fā)展區(qū),流體保持低速流動(dòng)。
圖5 SMC002噴流流場(chǎng)結(jié)構(gòu)
圖6為SMC002噴流湍流動(dòng)能的時(shí)均分布云圖,可以明顯看出勢(shì)力核心區(qū)域湍流動(dòng)能極小,可視為層流流動(dòng)區(qū)域;而整個(gè)混合區(qū)域內(nèi)圍繞在勢(shì)流核心周圍的混合層為強(qiáng)湍流區(qū)域,中間區(qū)域湍流動(dòng)能最大,并一直向后延神,并超過勢(shì)流核心區(qū)延伸到過渡區(qū)內(nèi),強(qiáng)湍流區(qū)域圍繞勢(shì)流核心上下對(duì)稱,沿軸線方向面積增大,在過渡區(qū)內(nèi)開始衰減,在最后的充分發(fā)展區(qū)維持低水平狀態(tài)。
圖6 SMC002噴流湍流動(dòng)能結(jié)構(gòu)
圖7是噴口出口截面時(shí)均速度云圖,噴流高速區(qū)域在兩鋸齒之間向外部低速區(qū)域擴(kuò)散,相比于鋸齒頂尖由噴流最大速度到外界靜止空氣間巨大的速度梯度,高速噴流從兩鋸齒之間逐漸地向外滲出,兩鋸齒之間的流體速度梯度減小。Chevron型鋸齒有效的增大了噴流面積,從而起到了更好的摻混作用。
圖7 噴管出口速度云圖
圖7為噴管出口截面的湍流動(dòng)能云圖,鋸齒頂尖湍流動(dòng)能極小,而強(qiáng)湍流區(qū)域出現(xiàn)鋸齒兩邊,沿鋸齒頂尖的軸向?qū)ΨQ,并在兩個(gè)鋸齒之間開始向外部衰減擴(kuò)散,只要的湍流分布區(qū)域向兩鋸齒之間集中。
圖8 噴管出口截面湍流動(dòng)能云圖
在定常計(jì)算基礎(chǔ)上進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算,圖9噴管出口附近渦量云圖,噴管出口之后,高速氣流與外部低速氣流形成了脫落渦,渦流主要分布在混合區(qū)的混合層內(nèi)和過渡層和充分發(fā)展層內(nèi),及渦流集中強(qiáng)湍流區(qū)域以及湍流擴(kuò)散區(qū)域內(nèi),勢(shì)流核心區(qū)域內(nèi)渦流分布不大,整體的渦流伴隨氣流向后高速流動(dòng);圖10為噴管出口截面渦量云圖,出口處,高速氣流與外部低速氣流之間形成了強(qiáng)烈的剪切環(huán),渦流集中大聲在兩鋸齒之間,向四周擴(kuò)散。
圖9 噴管出口附近的渦量云圖
圖10 噴管出口截面渦量云圖
由此可見,高速射流噴入靜止空間,強(qiáng)烈沖擊靜止空氣,與其進(jìn)行了急劇的摻混,高速的噴流氣體與周圍靜止空氣形成了環(huán)形的混合層,混合層內(nèi)的渦流帶來強(qiáng)烈湍流,渦流伴隨高速流體向后流動(dòng)衰減,湍流也在過渡發(fā)展區(qū)之后開始衰減;而鋸齒的加入,增大了兩鋸齒間的摻混,也使得兩鋸齒間的渦流增大,湍流增大。
圖11為瞬態(tài)0.025 LES計(jì)算的噴管出口之后中心線速度分布曲線。其中縱坐標(biāo)u/Uj為噴流速度u與噴流最大速度Uj的比值,橫坐標(biāo)X/Dj為噴口出口中心向方向距離X與噴口出口直徑Dj的比值。與NASA實(shí)驗(yàn)[7]SMC002號(hào)噴管結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,可以看出,LES方法的計(jì)算結(jié)果在靠近噴口出口的位置與實(shí)驗(yàn)值符合得更好,即核心區(qū)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合更好。
圖11 SMC002噴管中心線速度分布
CFD計(jì)算得到產(chǎn)生聲源的流場(chǎng)脈動(dòng)量,以此為基礎(chǔ)進(jìn)行CAA聲傳播計(jì)算,完成聲場(chǎng)求解。基于瞬態(tài)CFD和CAA聯(lián)合求解氣動(dòng)噪聲已經(jīng)成為成熟且廣泛使用的計(jì)算方法。圖12為混合數(shù)值算法求解噴流噪聲的基本流程圖。
圖12 聲場(chǎng)求解流程圖
SMC002號(hào)噴管聲學(xué)求解過程如下:
1) 使用LES方法進(jìn)行噴流瞬態(tài)流場(chǎng)計(jì)算,獲得噴流流場(chǎng)密度、速度矢量;
2) 利用瞬態(tài)流場(chǎng)密度、速度矢量進(jìn)行時(shí)域的噴流噪聲體生源提取,在Actran中icfd模塊完成;
3) 利用離散傅里葉變換( Discrete Fourier Transform,DFT),將時(shí)域的聲源信號(hào)變換到頻域信號(hào);
4) 將噴流噪聲的聲源點(diǎn)集映射到聲學(xué)網(wǎng)格,基于Ligthill聲類比理論進(jìn)行噴流噪聲聲場(chǎng)求解。
考慮到流動(dòng)和聲場(chǎng)的耦合以及方程的非線性給求解帶來困難,因此將聲學(xué)現(xiàn)象假設(shè)為線性問題,把聲場(chǎng)分為近場(chǎng)聲源區(qū)域和遠(yuǎn)場(chǎng)聲傳播區(qū)域,使流動(dòng)與聲場(chǎng)相分離。由此從N-S方程得到Ligthill方程
(5)
對(duì)(5)進(jìn)行頻域轉(zhuǎn)[16]換得
(6)
式(6)中:ω為頻率;Tij為Ligthill應(yīng)力張量,可表示為:
(7)
式(7)中:v為流體流速;c0為靜止介質(zhì)的聲速;p為流體壓力;xij為空間固定坐標(biāo)。對(duì)(7)式進(jìn)行有限元變分離散化即可得到以下聲學(xué)解
(8)
由于聲傳播的計(jì)算是以頻域形式進(jìn)行的,因此,必須將時(shí)域的噴流體聲源進(jìn)行離散傅里葉變換,公式如下
(9)
式(9)中,N為非定常流場(chǎng)采樣的時(shí)間步數(shù);Qn為頻域信號(hào),qk為時(shí)域信號(hào)。
近場(chǎng)聲壓采用有限元計(jì)算噴流噪聲聲源以及近場(chǎng)聲傳播,遠(yuǎn)場(chǎng)場(chǎng)點(diǎn)采用無限元插值求解,從而精確求解整個(gè)噴流噪聲聲場(chǎng)。
4.4.1 網(wǎng)格尺度
4.4.2 聲學(xué)計(jì)算域
在有限元計(jì)算區(qū)域,以流體計(jì)算域作為聲源區(qū);并向外增加10層網(wǎng)格區(qū)域,以此區(qū)域?yàn)槁晜鞑^(qū)域,將聲傳播區(qū)域邊界面全部定義為無限元邊界,噪聲沒有能量損耗以及反射,全透射傳播出去。聲學(xué)近場(chǎng)有限元計(jì)算域如圖13所式。
圖13 聲學(xué)計(jì)算域
聲學(xué)遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域部分,按照NASA實(shí)驗(yàn)要求建立遠(yuǎn)場(chǎng)場(chǎng)點(diǎn)[7]。噴流為軸向X軸,徑向?yàn)閅Z方向。在XY平面,以噴口出口中心為圓點(diǎn),2.54 m為半徑,在180°范圍內(nèi)每隔10°建立19個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)聲壓接收點(diǎn),如圖14所示。
圖14 遠(yuǎn)場(chǎng)場(chǎng)點(diǎn)示意圖
近場(chǎng)噪聲聲壓級(jí)如圖15所示。與流場(chǎng)結(jié)果對(duì)比可以看出,聲壓級(jí)比較大地方集中在噴流混合區(qū)域內(nèi),特別是勢(shì)流核心周圍的強(qiáng)湍流區(qū)域的混合層內(nèi),相比于核心勢(shì)流的聲壓,混合層的聲壓級(jí)要高其10dB以上。噴管出口的混合層內(nèi),大量渦量間的相互作用產(chǎn)生各種脈動(dòng)量,因此強(qiáng)烈脈動(dòng)湍流造成了噴流噪聲的產(chǎn)生。整體噴流噪聲沿著噴流方向發(fā)展,聲壓集中分布區(qū)域與湍流動(dòng)能較大區(qū)域比較耦合,噴流噪聲實(shí)質(zhì)上反應(yīng)了噴流湍流混合過程的渦旋變化。但是伴隨頻率升高,整體聲壓級(jí)逐漸降低,聲壓級(jí)的分布也更均勻。
圖15 近場(chǎng)聲壓級(jí)
噴管出口近場(chǎng)聲壓級(jí)如圖16所示,可以明顯看出,聲壓級(jí)較高的地方集中在兩鋸齒之間周圍,圍繞齒缺處形成環(huán)狀,并向外擴(kuò)散。在1500.94 Hz下,鋸齒之間周圍聲壓級(jí)達(dá)到最大143 dB,而齒頂尖區(qū)域只有119 dB;2501.56 Hz下,鋸齒之間周圍聲壓級(jí)達(dá)到最大144d B,而齒頂尖區(qū)域只有121 dB;3302.6 Hz下,鋸齒之間周圍聲壓級(jí)達(dá)到最大130 dB,而齒頂尖區(qū)域只有110 dB;4552.85 Hz下,鋸齒之間周圍聲壓級(jí)達(dá)到最大124 dB,而齒頂尖區(qū)域只有109 dB;由此可見兩鋸齒相比于鋸齒頂尖,鋸齒周圍聲壓級(jí)要高20 dB左右。隨著頻率升高,噴管出口整體聲壓級(jí)減小,而鋸齒與齒頂尖的聲壓差距也有所減小。對(duì)比噴管出口的流場(chǎng)結(jié)果以看出,強(qiáng)聲壓區(qū)域同樣于強(qiáng)湍流區(qū)域耦合;而鋸齒的安裝則大大增加了流場(chǎng)的摻混,使得流場(chǎng)的大尺度渦量破碎成小尺度渦量,從而使得齒頂尖噪聲減小。
圖17為遠(yuǎn)場(chǎng)場(chǎng)點(diǎn)噪聲總聲壓級(jí)(OSPL)指向性圖。噪聲總聲壓級(jí)越靠近噴流流動(dòng)方向越大,正對(duì)噴口方向的噴流噪聲可達(dá)113 dB,從30°到120°范圍內(nèi)聲壓級(jí)變化平穩(wěn),在105 dB上下浮動(dòng)。
圖16 噴口出口近場(chǎng)聲壓級(jí)
圖17 噪聲指向性特征圖
取場(chǎng)點(diǎn)中0°、60°、90°、120°、150°為主要測(cè)量點(diǎn),其頻譜圖如圖18所示。其中,正對(duì)噴流方向的0°場(chǎng)點(diǎn)各個(gè)頻率下的聲壓級(jí)都是最大。可以看出,整個(gè)噴流噪聲聲壓級(jí)較大的部分都集中在2000 Hz以下的中低頻段;2000Hz到8000 Hz段噪聲變化平穩(wěn);而從8000Hz以上開始,聲壓級(jí)急劇衰減,高頻段噪聲因其在空氣中容易被損耗有明顯降低。
圖18 主要測(cè)量點(diǎn)的噪聲頻譜曲線
為驗(yàn)證結(jié)果準(zhǔn)確型,取4個(gè)主要場(chǎng)點(diǎn)與文獻(xiàn)[7]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。使用實(shí)驗(yàn)中不同極坐標(biāo)角度下的場(chǎng)點(diǎn)總聲壓級(jí)(OSPL)進(jìn)行驗(yàn)證,數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值的結(jié)果比較如表1所示。
表1 數(shù)據(jù)對(duì)比與計(jì)算誤差
由表1可見,數(shù)值計(jì)算結(jié)構(gòu)大多小于實(shí)驗(yàn)值,但是最大誤差不超過3.5%,且大部分結(jié)果都偏小,出現(xiàn)此誤差的原因可能是計(jì)算量的限制,使得在噴流流場(chǎng)的瞬態(tài)仿真計(jì)算上,網(wǎng)格不夠密,從而無法捕獲更破碎的渦,脈動(dòng)渦量的計(jì)算誤差從而使得聲學(xué)仿真計(jì)算出現(xiàn)誤差。但在航空器噪聲適航噪聲評(píng)估的工程計(jì)算上,這個(gè)計(jì)算精度可以接受。
1)文章綜合非定常噴流流場(chǎng)數(shù)值模擬方法、Ligthill聲類比方法、有限元結(jié)合無限元方法實(shí)現(xiàn)并完成了對(duì)單通道的Chevron型鋸齒噴管噴流噪聲聲輻射數(shù)值模擬,相比于適航上常用的半經(jīng)驗(yàn)公式以及傳統(tǒng)基于FW-H方程的聲輻射數(shù)值模擬,能夠得到近場(chǎng)噪聲結(jié)果,以及詳細(xì)聲輻射特性,并且與流場(chǎng)信息得到更好的耦合,可以為發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。
2)噴流產(chǎn)生噪聲的重要原因是高速氣流沖擊周圍靜止空氣,形成的湍流帶來了強(qiáng)烈脈動(dòng)量形成噪聲,噴流噪聲主要在噴流流場(chǎng)中的混合層內(nèi)產(chǎn)生,渦量大的地方湍流動(dòng)能大,同時(shí)噴流噪聲大。
3)Chevron型鋸齒的安裝使得噴管的噴流出口與外界靜止空氣的接觸面積增大,摻混增大,兩鋸齒之間湍流動(dòng)能相比于齒頂尖增大,脈動(dòng)量也增大,在中地頻段,齒頂尖聲壓級(jí)比鋸齒之間聲壓級(jí)小20 dB左右。
4)噴流噪聲主要是低頻噪聲,并且具有明顯指向型,指向噴流流動(dòng)方向,在遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲計(jì)算方面,噴流噪聲數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比,誤差小于3.5%,結(jié)果可靠。可用來進(jìn)行飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)噴流噪聲預(yù)測(cè),為噴管設(shè)計(jì)以及航空器噪聲適航審定提供參考。